CN113078619B - 一种柔性直流电网快速保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明给出了一种柔性直流电网快速保护方法，属于电力***直流输配电领域；柔性直流电网发生直流侧短路故障后，故障电流快速上升，严重威胁电网的安全运行，要求直流保护***快速切除故障；本发明公开了一种基于单端量电流变化率特性的快速故障识别方法，能够不依赖站间通讯，实现简单、快速、准确地故障线路识别；同时利用快速故障识别结果，将***主保护与直流断路器优化协调配合，使其运行在并行工作模式下，通过优化直流断路器与直流***主保护的动作时序，减小***总保护时间；本发明能够在不增加限流控制与限流电路，同时不影响***主保护的可靠性与有效性的前提下，加快故障隔离速度，实现减小直流断路器开断电流。

Description

一种柔性直流电网快速保护方法
技术领域
本发明属于电力***直流输配电领域，尤其涉及一种柔性直流电网快速保护方法。
背景技术
基于模块化多电平变换器(Modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输、配电技术具有不存在换向失败，有功、无功独立控制等优势，是解决大规模可再生能源远距离汇集送出的有效手段。由于直流电网的阻尼系数较低，一旦直流侧发生短路故障，MMC子模块电容将迅速放电，故障电流快速增加，危害***中电力电子器件的安全。
由于直流故障电流上升速度极快，直流故障清除所需时间越长，故障电流越大，为减小直流断路器开断电流，直流***要求线路保护必须在几毫秒内切除故障，但这对直流断路器的开断速度提出了极高的要求，增加了直流断路器的制造难度与成本，目前对减小直流断路器开断故障电流的研究大都集中在充分利用MMC的控制能力上，通过减小故障后MMC的输出直流电压实现主动限流，且大多文献都是针对基于全桥型MMC或混合型MMC的柔性直流电网。
目前在直流线路保***中一般采用行波保护作为***主保护，同时配合直流断路器共同完成直流故障的隔离，传统的保护配合方法为当行波保护检测到故障后，会进行故障识别与故障定位等操作，经3ms后给相应直流断路器发送保护命令，在直流断路器接收到保护命令后便先后进行第一次换流操作、快速机械开关分闸操作与第二次换流操作，最终完成故障线路的隔离，由于主保护与直流断路器工作在串行工作模式下，***保护时间为行波保护与直流断路器动作时间总和，因此，改变主保护与直流断路器的工作模式，使其工作在并行模式下，便可减小直流故障后的总保护时间，加快故障隔离速度，有效减小直流断路器的开断电流，所以从***保护与直流断路器优化配合上入手加快直流故障隔离时间，实现故障电流的抑制是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的就是在不增加额外限流控制策略的前提下，加快故障隔离速度，减小直流断路器的开断电流；基于快速故障识别与直流断路器优化控制，提出一种柔性直流电网快速保护方法，其特征在于，该方法首先利用直流电网单端量故障电流变化率特性完成快速故障识别，然后将快速故障识别发出的保护信号作为电网故障线路中直流断路器的预动作指令，使直流***中的主保护与直流断路器工作在并行工作模式下，进而加快故障的隔离速度；具体包括以下步骤：
步骤一：实时监测直流***中换流器与直流输电线路的直流电流变化率大小与方向；
步骤二：直流***正常运行时，直流电流变化率很小，快速故障识别不启动，不会向直流断路器发出动作信号；
步骤三：直流***发生短路故障后，直流电网中的电流变化率快速增大，当直流电流变化率大小与方向都满足故障判据时，根据快速故障识别方法识别出故障线路，向对应的直流断路器发送动作信号，使其进行预动作，即先进行第一次换流操作与快速机械开关分闸操作，其他直流断路器保持正常运行；
步骤四：若直流***中的主保护检测到线路故障，则***主保护会在直流断路器分闸时发出保护信号，使直流断路器在完成快速机械开关分闸操作后接着进行第二次换流操作，切断故障电流，实现快速故障隔离；若直流***中的主保护没有检测到线路故障或者检测到线路受到扰动，则不会向直流断路器发送保护信号，在直流断路器完成快速机械开关分闸操作后进行复归操作，即先执行快速机械开关合闸操作，待完全合闸后再进行开断直流断路器转移支路中固态开关的操作，使断路器恢复正常运行状态；
所述直流***的主保护可以为电流行波保护或电压行波保护，其功能为直流线路故障检测、故障识别与故障定位，同时可向相应的直流断路器发送保护命令，另其切除故障线路；
所述步骤一实时监测直流***中的电流变化率，首先定义***为基于半桥子模块的模块化多电平变换器(HB-MMC)柔性直流输电***；具体为四端环形柔性直流电网，直流电网中换流站采用HB-MMC拓扑结构，直流电网中的直流输电线路为架空线，用L1、L2、L3和L4代表，CB12、CB21、CB23、CB32、CB34、CB43、CB14与CB41为直流电网中配置的直流断路器，即保护装置，分别安装在直流线路L1、L2、L3和L4的两端；其次定义直流电网中四个MMC的直流电流由换流站指向线路为正方向，直流断路器电流由母线指向线路为正方向；
所述步骤三故障识别后向相应的直流断路器发送故障信号，F1为线路L2上的短路故障点，当L2发生区内故障时(如图2所示)，故障线路两端分别检测到故障，即CB23与CB32分别接收到保护指令，进行保护动作，隔离故障线路L2；当线路L2在MMC2端发生区内故障时(如图3所示)，故障两端断路器CB23与CB32及故障近端线路L1上的断路器CB21与CB12分别接收到保护指令，进行保护动作，完成故障隔离。
进一步的，所述基于直流电网单端量故障电流变化率特性的快速故障识别方法，其特征在于，在所述***发生区内故障后，利用与非故障线路相比故障线路两端MMC与直流断路器的电流变化率上升较快且幅值较大，同时MMC与直流断路器的电流变化率方向均为正这一特性，将故障线路同一端的MMC与直流断路器的故障电流变化率大小与方向作为区内故障判据，具体为：
Figure BDA0003015123510000021
其中，sign()为符号函数，If1、If2分别为故障线路同一端的MMC与直流断路器的直流电流，ΔIset为快速故障识别启动的整定值，该值设定为区内直流故障电流变化率的1/2，即
Figure BDA0003015123510000022
其中，Udc为直流电网中的直流电压，Ldc、Larm分别为直流线路中的限流电抗器与MMC桥臂中的限流电抗器；当同一端的MMC与直流断路器的电流变化率同时满足大小判据与方向判据时，判定直流线路发生区内故障，然后向线路中直流断路器发送动作指令；
在所述***发生区外故障后，利用与故障线路非故障端相比故障端的MMC与直流断路器的电流变化率上升较快且幅值较大，同时故障端的MMC与直流断路器的电流变化率方向相反这一特性，将故障端MMC与直流断路器的故障电流变化率大小与方向作为区外故障判据，具体计算为：
Figure BDA0003015123510000023
其中，ΔIset1、ΔIset2分别为MMC与直流断路器的快速故障识别启动整定值，其值分别设定为区外直流故障电流变化率的1/2，即
Figure BDA0003015123510000031
当同一故障端MMC与直流断路器的电流变化率同时满足大小判据与方向判据时，判定直流线路发生区外故障，然后向线路中直流断路器发送动作指令。
进一步的，所述***中的直流断路器为混合型高压直流断路器，由主支路、转移支路与耗能支路三条支路组成，主支路主要由超快速机械开关与少量电力电子开关组成，转移支路由固态开关组成，耗能支路由金属氧化物压敏电阻(MOV)组成；所述直流断路器正常运行时负荷电流由主支路流通，故障后导通转移支路上的固态开关，同时关断主支路上的电力电子开关，使故障电流转移到转移支路上，完成第一次换流操作，第一次换流结束后执行快速机械开关分闸操作，待完全分闸后关断转移支路上的固态开关，执行第二次换流操作，使故障电流转移到耗能支路上，最终故障电流衰减为零，完成整个故障隔离动作；所述直流断路器第一次换流操作与快速机械开关分闸操作的指令是由快速故障识别发出，直流断路器的第二次换流操作指令是由***的主保护给出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为能够在不增加额外限流控制与限流电路的前提下，实现直流故障电流的有效抑制，减小直流断路器的开断要求，使直流电网更安全快速地穿越直流故障；不需要站间通讯与复杂计算，快速故障识别就可以准确、快速地识别出故障线路，使直流断路器预动作，最终加快故障隔离速度；直流断路器最终开断故障电流的指令由***主保护发出，所提快速故障识别即使误动作也不会影响整个***保护的可靠性与准确性。
附图说明
图1为基于MMC的四端环状柔性直流电网拓扑结构图；
图2为线路L2上发生区内故障后，MMC2一端故障电流流向特性图；
图3为线路L2上发生区外故障后，MMC2一端故障电流流向特性图；
图4为混合型高压直流断路器拓扑结构图；
图5为***主保护与直流断路器的传统配合时序图；
图6为***主保护与直流断路器的优化配合时序图。
具体实施方式
为了使本发明的基本原理、技术方案及具备的优点更加清楚明白，下面将结合附图和具体实施例对本发明涉及的一种柔性直流电网快速保护方法进行详细说明。应当理解，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的保护范围及其应用。
图1为基于半桥子模块的模块化多电平变换器(HB-MMC)柔性直流输电***；具体为四端环形柔性直流输电网，直流电网中换流站采用HB-MMC拓扑结构，直流电网中的直流输电线路为架空线，用L1、L2、L3和L4代表，CB12、CB21、CB23、CB32、CB34、CB43、CB14与CB41为直流电网中配置的直流断路器，即保护装置，分别安装在直流线路L1、L2、L3和L4的两端；其次定义直流电网中四个的MMC的直流电流用idcj表示，其中j＝1,2,3,4，由换流站指向线路为正方向，直流断路器上的电流用idcm表示，其中m＝12,21,23,32,34,43,14,41，由母线指向线路为正方向。
图2与图3分别为直流线路L2上发生区内故障与区外故障时MMC2一端的故障电流特性，If1、If2分别为故障线路同一端的MMC与直流断路器的直流故障电流，即MMC2与CB23的故障电流，所述***发生短路故障后，流过故障线路的电流If1与故障点近端换流站输出电流If2的变化率较大，流过非故障线路的电流与故障点远端换流站输出电流的变化率较小，根据这一明显差异可将故障近端MMC2与CB23的故障电流(If1、If2)的变化率大小作为故障判据；所述***发生区内故障或区外故障时，故障近端换流站MMC2与CB23的电流If1、If2的变化率方向不同，根据这一明显差异可将故障电流变化率方向作为另一故障判据，有效区分区内外故障、保证故障线路两侧的保护可靠动作；
图4为所述***中的直流断路器为混合型高压直流断路器电路拓扑结构，由主支路、转移支路与耗能支路三条支路组成，主支路主要由超快速机械开关与少量电力电子开关组成，转移支路由固态开关组成，耗能支路由金属氧化物压敏电阻(MOV)组成；所述直流断路器正常运行时负荷电流由主支路流通，故障后导通转移支路上的固态开关，同时关断主支路上的电力电子开关，使故障电流转移到转移支路上，完成第一次换流操作，第一次换流结束后执行快速机械开关分闸操作，待完全分闸后关断转移支路上的固态开关，执行第二次换流操作，使故障电流转移到耗能支路上，最终故障电流衰减为零，完成整个故障隔离动作；所述直流断路器第一次换流操作与快速机械开关分闸操作的指令是由快速故障识别发出，直流断路器的第二次换流操作指令是由***的主保护给出。
本发明提出一种柔性直流电网快速保护方法，其特征在于，该方法首先利用直流电网单端量故障电流变化率特性完成快速故障识别，然后将快速故障识别发出的保护信号作为电网故障线路中直流断路器的预动作指令，使直流***中的主保护与直流断路器工作在并行工作模式下，进而加快故障的隔离速度，具体包括以下步骤：
步骤一：实时监测直流***中换流器与直流输电线路的直流电流变化率大小与方向；
步骤二：直流***正常运行时，直流电流变化率很小，快速故障识别不启动，不会向直流断路器发出动作信号；
步骤三：直流***发生短路故障后，直流电网中的电流变化率快速增大，当直流电流变化率大小与方向都满足故障判据时，根据快速故障识别方法识别出故障线路，向对应的直流断路器发送动作信号，使其进行预动作，即先进行第一次换流操作与快速机械开关分闸操作，其他直流断路器保持正常运行；
步骤四：若直流***中的主保护检测到线路故障，则***主保护会在直流断路器分闸时发出保护信号，使直流断路器在完成快速机械开关分闸操作后接着进行第二次换流操作，切断故障电流，实现快速故障隔离；若直流***中的主保护没有检测到线路故障或者检测到线路受到扰动，则不会向直流断路器发送保护信号，在直流断路器完成快速机械开关分闸操作后进行复归操作，即先执行快速机械开关合闸操作，待完全合闸后再进行开断直流断路器转移支路中固态开关的操作，使断路器恢复正常运行状态；所述直流***的主保护可以为电流行波保护或电压行波保护，其功能为直流线路故障检测、故障识别与故障定位，同时可向相应的直流断路器发送保护命令，另其切除故障，具体配合时序如图6所示；
所述步骤三故障识别后向相应的直流断路器发送故障信号，F1为线路L2上的短路故障点，当L2发生区内故障时，MMC2端的故障电流特性如图2所示，故障线路两端分别检测到故障，即CB23与CB32分别接收到保护指令，进行保护动作隔离故障线路L2；当线路L2在MMC2端发生区内故障时，MMC2端的故障电流特性如图3所示，故障两端断路器CB23与CB32及故障端线路L1上的断路器CB21与CB12分别接收到保护指令，进行保护动作完成故障隔离。
进一步的，所述基于直流电网单端量故障电流变化率特性的快速故障识别方法，其特征在于，在所述***发生区内故障后，利用与非故障线路相比故障线路两端MMC与直流断路器的电流变化率上升较快且幅值较大，同时MMC与直流断路器的电流变化率方向均为正这一特性，将故障线路同一端的MMC与直流断路器的故障电流变化率大小与方向作为区内故障判据，具体为
Figure BDA0003015123510000041
其中，sign()为符号函数，If1、If2分别为故障线路同一端的MMC与直流断路器的直流电流，ΔIset为快速故障识别启动的整定值，该值设定为区内直流故障电流变化率的1/2，即
Figure BDA0003015123510000051
其中，Udc为直流电网中的直流电压，Ldc、Larm分别为直流线路中的限流电抗器与MMC桥臂中的限流电抗器；当同一端的MMC与直流断路器的电流变化率同时满足大小判据与方向判据时，判定直流线路发生区内故障，然后向线路中直流断路器发送动作指令；
在所述***发生区外故障后，利用与故障线路非故障端相比故障端的MMC与直流断路器的电流变化率上升较快且幅值较大，同时故障端的MMC与直流断路器的电流变化率方向相反这一特性，将故障端MMC与直流断路器的故障电流变化率大小与方向作为区外故障判据，具体计算为：
Figure BDA0003015123510000052
其中，ΔIset1、ΔIset2分别为MMC与直流断路器的快速故障识别启动整定值，其值分别设定为区外直流故障电流变化率的1/2，即
Figure BDA0003015123510000053
当同一故障端MMC与直流断路器的电流变化率同时满足大小判据与方向判据时，判定直流线路发生区外故障，然后向线路中直流断路器发送动作指令。
图5为***主保护与直流断路器的传统配合保护时序，从图中可以看出，在传统保护配合下故障后总的保护时间为6ms；图6为本发明所公布的优化配合保护时序，从图中可以看出，在优化保护配合下故障后总的保护时间减小为(3+Δt)ms,Δt快速故障识别所用时间，大小为0.3ms内，对比上述两图中可以明显看出优化后的总保护时间更短，直流故障隔离速度更快。
本发明一种柔性直流电网快速保护方法，具有的优势在于其一本发明在直流***故障后，可根据单端量故障电流变化率特性，在不需要站间通讯与复杂计算的情况下，便可准确、快速地识别故障线路，使直流断路器提前动作，最终加快故障隔离速度；其二在直流***发生短路故障时，能够在不增加额外限流控制与限流电路的前提下，通过优化直流断路器的工作时序，实现直流故障电流的有效抑制，减小直流断路器的开断要求，使直流电网更安全快速地穿越直流故障；其三在本发明所公布的快速故障隔离方法中，直流断路器最终开断故障电流的指令由***主保护发出，即使所提快速故障识别方法误动作也不会影响整个***保护的可靠性与准确性；显然，该发明不应仅局限于某一特定拓扑结构的柔性直流输电***，在各种不同拓扑、不同负荷类型的柔性直流电网中都有一定的应用价值。
以上所述为本发明的一种具体实施方式及其优点，但本发明的保护范围并不仅仅局限与此。对于本技术领域的普通技术人员来说在基本上不脱离本发明描述的技术精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出变化和修改，这些变化与修改也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种柔性直流电网快速保护方法，其特征在于，该方法首先利用直流电网单端量故障电流变化率特性完成快速故障识别，然后将快速故障识别发出的保护信号作为电网故障线路中直流断路器的预动作指令，使直流***中的主保护与直流断路器工作在并行工作模式下，进而加快故障的隔离速度，具体包括以下步骤：
步骤一：实时监测直流***中换流器与直流输电线路的直流电流变化率大小与方向；
步骤二：直流***正常运行时，直流电流变化率很小，快速故障识别不启动，不会向直流断路器发出动作信号；
步骤三：直流***发生短路故障后，直流电网中的电流变化率快速增大，当直流电流变化率大小与方向都满足故障判据时，根据快速故障识别方法识别出故障线路，向对应的直流断路器发送动作信号，使其进行预动作，即先进行第一次换流操作与快速机械开关分闸操作，其他直流断路器保持正常运行；
步骤四：若直流***中的主保护检测到线路故障，则***主保护会在直流断路器分闸时发出保护信号，使直流断路器在完成快速机械开关分闸操作后接着进行第二次换流操作，切断故障电流，实现快速故障隔离；若直流***中的主保护没有检测到线路故障或者检测到线路受到扰动，则不会向直流断路器发送保护信号，在直流断路器完成快速机械开关分闸操作后进行复归操作，即先执行快速机械开关合闸操作，待完全合闸后再进行开断直流断路器转移支路中固态开关的操作，使断路器恢复正常运行状态；
所述直流***的主保护可以为电流行波保护或电压行波保护，其功能为直流线路故障检测、故障识别与故障定位，同时可向相应的直流断路器发送保护命令，另其切除故障；
所述步骤一实时监测直流***中的电流变化率，首先定义***为基于半桥子模块的模块化多电平换流器柔性直流输电***；具体为四端环形柔性直流电网，直流电网中换流站采用半桥MMC拓扑结构，直流电网中的直流输电线路为架空线，用L1、L2、L3和L4代表，CB12、CB21、CB23、CB32、CB34、CB43、CB14与CB41为直流电网中配置的直流断路器，即保护装置，分别安装在直流线路L1、L2、L3和L4的两端；其次定义直流电网中四个MMC的直流电流由换流站指向线路为正方向，直流断路器电流由母线指向线路为正方向；
所述步骤三故障识别后向相应的直流断路器发送故障信号，F1为线路L2上的短路故障点，当L2发生区内故障时，故障线路两端分别检测到故障，即CB23与CB32分别接收到保护指令，进行保护动作，隔离故障线路L2；当线路L2在MMC2端发生区内故障时，故障两端断路器CB23与CB32及故障近端线路L1上的断路器CB21与CB12分别接收到保护指令，进行保护动作，完成故障隔离。
2.如权利要求1所述的柔性直流电网快速保护方法，其特征在于，在所述***发生区内故障后，利用与非故障线路相比故障线路两端MMC与直流断路器的电流变化率上升较快且幅值较大，同时MMC与直流断路器的电流变化率方向均为正这一特性，将故障线路同一端的MMC与直流断路器的故障电流变化率大小与方向作为区内故障判据，具体为：
Figure FDA0003620722380000011
其中，sign()为符号函数，If1、If2分别为故障线路同一端的MMC与直流断路器的直流电流，ΔIset为快速故障识别启动的整定值，该值设定为区内直流故障电流变化率的1/2，具体计算公式如下：
Figure FDA0003620722380000012
其中，Udc为直流电网中的直流电压，Ldc、Larm分别为直流线路中的限流电抗器与MMC桥臂中的限流电抗器；当同一端的MMC与直流断路器的电流变化率同时满足大小判据与方向判据时，判定直流线路发生区内故障；
在所述***发生区外故障后，利用与故障线路非故障端相比故障端的MMC与直流断路器的电流变化率上升较快且幅值较大，同时故障端的MMC与直流断路器的电流变化率方向相反这一特性，将故障端MMC与直流断路器的故障电流变化率大小与方向作为区外故障判据，具体为：
Figure FDA0003620722380000021
其中，ΔIset1、ΔIset2分别为MMC与直流断路器的快速故障识别启动整定值，其值分别设定为区外直流故障电流变化率的1/2，具体计算公式如下：
Figure FDA0003620722380000022
当同一故障端MMC与直流断路器的电流变化率同时满足大小判据与方向判据时，判定直流线路发生区外故障。
3.如权利要求1所述的柔性直流电网快速保护方法，所述直流断路器为混合型高压直流断路器，由主支路、转移支路与耗能支路三条支路组成，主支路主要由超快速机械开关与电力电子开关组成，转移支路由固态开关组成，耗能支路由金属氧化物压敏电阻MOV组成；所述直流断路器正常运行时负荷电流由主支路流通，故障后导通转移支路上的固态开关，同时关断主支路上的电力电子开关，使故障电流转移到转移支路上，完成第一次换流操作，第一次换流结束后执行快速机械开关分闸操作，待完全分闸后关断转移支路上的固态开关，执行第二次换流操作，使故障电流转移到耗能支路上，最终故障电流衰减为零，完成整个故障隔离动作；所述直流断路器第一次换流操作与快速机械开关分闸操作的指令是由快速故障识别发出，直流断路器的第二次换流操作指令是由***的主保护给出。
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